激光實(shí)驗(yàn)報(bào)告2

激光原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告23120121152896楊晗一.兩種典型腔型固體激光器元件鍍膜要求444nm藍(lán)光LD泵浦Pr:YLF，產(chǎn)生523nm綠光的激光器圖1-1444nm泵浦Pr:YLF產(chǎn)生523nm激光器如圖1-1，444nm藍(lán)光經(jīng)過方框內(nèi)的透鏡組后透過M1，泵浦Pr：YLF使其產(chǎn)生523nm綠光，產(chǎn)生的523nm綠光一部分在M1、M2構(gòu)成的諧振腔中振蕩，一部分透過M2輸出，未被吸收的444nm藍(lán)光則繼續(xù)在腔內(nèi)反射泵浦Pr：YLF。所以，輸入鏡M1左面應(yīng)該鍍上對泵浦光λ=444nm藍(lán)光的增透膜，右面鍍上對振蕩波也就是輸出光λ=523nm綠光的高反并且對λ=444nm藍(lán)光的減反效果的膜；輸出鏡M2左面應(yīng)該鍍上對振蕩波λ=523nm綠光具有部分反射作用，并且對λ=444nm藍(lán)光具有高反作用的膜，右面鍍上對反射進(jìn)腔的振蕩波長523nm綠光減反作用的膜。480nm激光器泵浦Pr:YLF，LBO倍頻產(chǎn)生320nm紫外光激光器圖2-1480nm泵浦Pr:YLF倍頻產(chǎn)生320nm激光器如圖2-1，光泵浦半導(dǎo)體激光器OPS產(chǎn)生480nm波長的激光作為泵浦光，透過M1激發(fā)晶體Pr:YLF產(chǎn)生640nm波長的激光，640nm波長的激光經(jīng)過M2的反射通過大功率紫外倍頻晶體LBO產(chǎn)生波長為320nm的紫外激光，這兩種波長的激光在M3上反射再次通過LBO，接著320nm的紫外光透過M2輸出，640nm波長的激光反射通過Pr:YLF然后經(jīng)過M1反射后經(jīng)過Pr:YLF被M2發(fā)射后重復(fù)以上的過程。也就是說640nm波長的激光在M1-M3之間振蕩。由以上的分析我們可以知道，M1右面上鍍的膜應(yīng)該對480nm波長的泵浦光增透，左面對640nm波長的激光高反，對480nm波長的泵浦光減反；M2右面上鍍的膜對640nm波長的光高反，對320nm波長的紫外光增透，左面對320nm波長的紫外光減反；M3左面上鍍的膜要對320nm波長與640波長的激光進(jìn)行高反；由于480nm波長的泵浦光在經(jīng)過Pr:YLF后功率較低，因此在M2、M3上不考慮對其鍍高反膜。二.激光損傷閾值LIDT調(diào)研報(bào)告1.影響LIDT的因素由于薄膜的激光損傷是激光與薄膜互相作用的結(jié)果，因此將其影響因素主要應(yīng)該歸結(jié)為來自薄膜的影響因素與來自激光的影響因素兩個方面。光學(xué)薄膜方面，影響激光損傷閾值的因素有：薄膜的制備技術(shù)、磨料的選擇、膜層的厚度、光學(xué)薄膜的基本特性以及缺陷。激光器本身的參數(shù)也會影響到激光薄膜損傷閾值的大小。激光器參數(shù)包括波長、脈寬、激光器輸出的光斑大小、激光器輸出能量和激光輸出模式[1]。2.LIDT測量方法1）onetimeononepoint(1-on-1)方式這種方式簡單來說就是在每個測試點(diǎn)上只輻射一次。國標(biāo)(GB/T1660121996)和國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11254)規(guī)定的測試方法是:一臺穩(wěn)定的重頻激光器(具有準(zhǔn)“高斯”型或準(zhǔn)平頂型的空間分布)發(fā)出的激光束先擴(kuò)束、再經(jīng)衰減器衰減后,聚焦于被測試片表面。對這種方法而言,每個測試點(diǎn)輻照1個脈沖,但同一個能量密度(功率密度)最少要輻照10個測試點(diǎn)。2）servaltimesononepoint(s-on-1)方式針對同一個測試點(diǎn)，在相同的激光能量下，間隔相同的時(shí)間輻照該測試點(diǎn)知道測試點(diǎn)發(fā)生損傷。3）raisedenergyononepoint(r-on-1)方式這種方法最大的特點(diǎn)是用遞增的能量只輻照光學(xué)元件上的某一個點(diǎn)，直到這個被輻照點(diǎn)發(fā)生損傷為止。但這種方法需要在測試前估計(jì)被測元件的損傷閾值。4）n-one-1方式激光能量脈沖由小到大逐漸增加，直到增加到產(chǎn)生損傷閾值，在這個過程中，激光束以相同的時(shí)間多次輻照在元件的同一個點(diǎn)上[1][2]。3.如何提高LIDT1)激光預(yù)處理以低于薄膜損傷閾值的激光輻照光學(xué)薄膜可使其損傷閾值提高，稱之為“激光預(yù)處理”。早在80年代研究發(fā)現(xiàn)通過基頻激光預(yù)處理提高薄膜損傷閾值的效果非常明顯。Arenberg等人研究得出，1064nm波長上的激光預(yù)處理使薄膜損傷閾值提高40%，但波長到了532nm，薄膜損傷閾值沒有明顯影響[3]。90年代初期美國LLNL實(shí)驗(yàn)室HfO2/SiO2,ZrO2/SiO2,TiO2/SiO2高反膜的激光預(yù)處理中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1064nm激光預(yù)處理后高反膜的損傷閾值都提高一倍以上，其中HfO2/SiO2高反膜損傷閾值提高最大。但是到了355nm高反膜經(jīng)激光預(yù)處理后，損傷閾值沒有明顯提高。在激光預(yù)處理的研究中，對基頻激光預(yù)處理的報(bào)道很多，而且預(yù)處理提高薄膜損傷閾值的效果都很明顯。2)加鍍保護(hù)膜層在薄膜表面上加鍍一層λ/2整數(shù)倍的低折射率SiO2薄膜既不影響膜層的反射率，也不影響膜層的電場分布[4]，而且可以有效地提高薄膜的抗損傷能力。這可能是由于保護(hù)膜層的存在改善了薄膜的表面形態(tài)，減少了由表面缺陷所引起的損傷。同時(shí)SiO2本身具有低吸收和高的抗激光能力，使損傷不易發(fā)生，并且它的存在使得膜層內(nèi)的雜質(zhì)在相同能量激光輻照下更難于沖出膜層表面形成損傷。前人的研究結(jié)果也證實(shí)，1064nm和248nm的高反射薄膜加鍍保護(hù)層確實(shí)可以提高損傷閾值[5]。3)緩沖層與保護(hù)膜層不同，緩沖層是加在基底和要鍍的膜層之間，其作用類似過渡層。合適的緩沖層可以提高膜層的激光損傷閾值。譚天亞等研究在LBO晶體上做基頻和二倍頻增透膜，采用SiO2、MgF2作為緩沖層。對比沒有加緩沖層的增透膜，發(fā)現(xiàn)基底與膜系之間緩沖層的插入沒有影響整個薄膜器件的光學(xué)性質(zhì)。在LBO晶體上預(yù)鍍SiO2或MgF2緩沖層改善了薄膜的抗激光損傷性能，與沒有緩沖層的膜系相比，激光損傷閾值分別提高了23.1%和25.8%。4)駐波場、溫度場設(shè)計(jì)高功率激光與光學(xué)薄膜相互作用時(shí)，不僅反射光束之間發(fā)生干涉，反射光與入射光相遇時(shí)也要發(fā)生干涉。這種反射光與入射光干涉的結(jié)果是在薄膜內(nèi)部形成駐波場。在薄膜內(nèi)的不同區(qū)域，駐波場的強(qiáng)度存在很大的差別，不同膜系薄膜的駐波場分布也是千差萬別。修正光學(xué)薄膜駐波場的主要目的是：一是優(yōu)化薄膜內(nèi)駐波場分布，使駐波場強(qiáng)的最大值遠(yuǎn)離薄膜吸收系數(shù)最大的區(qū)域；二是改變膜系結(jié)構(gòu)，降低駐波場的峰值。1985年C.K.Carniglia報(bào)道355nmSc2O3/SiO2高反膜通過加MgF2來修正駐波場，使高反膜的損傷閾值平均提高40%。O.Arnon等證實(shí)可以通過改進(jìn)薄膜內(nèi)的駐波場，降低薄膜損耗，提高薄膜損傷閾值[6]。范正修認(rèn)為光學(xué)薄膜中駐波場的研究，可以直觀地解釋薄膜內(nèi)局部場強(qiáng)損耗的特性。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使得局部損耗降低到可以容許的范圍。但是，對于高功率激光薄膜，最終導(dǎo)致薄膜損傷或失效的是其局部升溫，這就必須考慮薄膜內(nèi)部的溫度場分布[7]。于是在薄膜光學(xué)設(shè)計(jì)以及駐波場設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，范正修提出了薄膜溫度場設(shè)計(jì)思想[7]【8】【9】。他認(rèn)為薄膜內(nèi)的溫度場分布，是由以下三個關(guān)聯(lián)的過程形成的：薄膜光吸收引起激光的能量沉積；光能轉(zhuǎn)化為熱能引起溫度升高；熱傳導(dǎo)過程形成薄膜內(nèi)的溫度場。該理論的關(guān)鍵是以薄膜中的局部溫度作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整薄膜的厚度、折射率、消光系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)，從而達(dá)到特定的設(shè)計(jì)要求。通過二維溫度場計(jì)算，優(yōu)化薄膜各項(xiàng)參數(shù)，使膜層內(nèi)的溫度場相對于各膜層的溫度對抗能力達(dá)到一種合理的分布，降低溫度場的峰值，從而提高薄膜損傷閾值。通常在保證光學(xué)性能的同時(shí)，修正后峰值溫度場至少降低50％。5)離子后處理離子后處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種材料的表面改性，是采用特定的能量離子轟擊材料表面，從而使表面性質(zhì)得到改善[10]。這主要是由于材料所展現(xiàn)的多種表面物理和化學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于表面層的性質(zhì)。如果離子束轟擊能有效地改變表面層的性質(zhì)，那么材料表面就會表現(xiàn)出改性的效果，而且在表面層以下仍然保持原有材料的性質(zhì)。[11]參考文獻(xiàn)[1]王鴻，激光薄膜損傷閾值測試控制系統(tǒng)研究.西安工業(yè)大學(xué)；[2]朱耀南，光學(xué)薄膜激光損傷閾值測試方法的介紹.激光技術(shù).2006,30(5):532-535.[3]ARENBERGJW,FRINKME.Ontheroleofwaterinthelaserconditioningeffect[J].NIST(USA),SpecialPublication,1989,801:430-439.[4]PHILIPB.Dependenceofthereflectanceofamultilayerreflectoronthethicknessoftheouterlayer[J].AppliedOptics,1999,38(28):6034-6035.[5]STOLZCJ,TAYLORJR.Damagethresholdstudyofionbeamsputteredcoatingsforavisiblehigh-repetitionlaseratLLNL[C]//Proc.SPIE.1993,1848:182-191.[6]ARNONO,BAUMEISTERP.Electricfielddistributionandthereductionoflaserdamageinmultilayers[J].AppliedOptics,1980,19(11):1853-1855.[7]范正修,湯雪飛.光學(xué)薄膜的溫度場設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),1995,15(4):463-467.[8]FANZX,ZHAOQ,WUZL.Temperaturefielddesigninopticalthinfilms[J].Proc.SPIE,1997,2966:362-370.[9]趙強(qiáng),范正修,